目前，GaN材料的研究与应用已成为半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并被称为第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

一、GaN材料概述

1、GaN材料特性

GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。

氮化镓晶体结构

GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料。特性如下：

（1）高的化学稳定性。在室温下，GaN不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。NaOH、H₂SO₄和H₃PO₄能较快地腐蚀质量差的GaN，可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测。GaN在HCl或H₂气下，在高温下呈现不稳定特性，而在N₂气下最为稳定。

（2）高熔点。熔点约为1700℃。

（3）高的电离度。在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。

（4）高硬度。在大气压力下，因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。

2、GaN材料的优点

（1）禁带宽度大（3.4eV），热导率高（1.3W/cm-K），则工作温度高，击穿电压高，抗辐射能力强。

（2）导带底在Γ点，而且与导带的其他能谷之间能量差大，则不易产生谷间散射，从而能得到很高的强场漂移速度（电子漂移速度不易饱和）。

（3）GaN易与AlN、InN等构成混晶，能制成各种异质结构，已经得到了低温下迁移率达到2625px²/Vs的2-DEG（因为2-DEG面密度较高，有效地屏蔽了光学声子散射、电离杂质散射和压电散射等因素）。

（4）晶格对称性比较低（为六方纤锌矿结构或四方亚稳的闪锌矿结构），具有很强的压电性（非中心对称所致）和铁电性（沿六方c轴自发极化）。

总之，从整体来看，GaN的优点弥补了其缺点，特别是通过异质结的作用，其有效输运性能并不亚于GaAs，而制作微波功率器件的效果（微波输出功率密度上）还往往要远优于现有的一切半导体材料。

不同半导体材料特性对比表

二、GaN材料制备

GaN材料的生长是在高温下，通过TMGa分解出的Ga与NH₃的化学反应实现的，生长GaN需要一定的生长温度，且需要一定的NH₃分压。其可逆的反应方程式为： 

目前，通常采用的方法有常规金属有机物气相沉积法（包括APMOCVD、LPMOCVD、等离子体增强MOCVD等）、分子束外延法和氢化物气相外延法。

1、金属有机物气相沉积法（MOCVD）

MOCVD是在气相外延生长的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。在采用MOCVD 法制备GaN 单晶的传统工艺中，通常以三甲基镓作为镓源，氨气作为氮源，以蓝宝石(Al₂O₃)作为衬底，并用氢气和氮气的混合气体作为载气，将反应物载入反应腔内，加热到一定温度下使其发生反应，能够在衬底上生成GaN 的分子团，在衬底表面上吸附、成核、生长，最终形成一层GaN 单晶薄膜。

该方法优点：制备的产量大，生长周期短，适合用于大批量生产。

缺点是：生长完毕后需要进行退火处理，最后得到的薄膜可能会存在裂纹，会影响产品的质量。

2、分子束外延法 （MBE）

MBE 法制备GaN 与MOCVD法类似，主要的区别在于镓源的不同。MBE 法的镓源通常采用Ga 的分子束，NH₃ 作为氮源，制备方法与MOCVD 法相似，也是在衬底表面反应生成GaN。

该方法优点是：（1）可以在较低的温度下实现GaN 的生长，一般为700 ℃左右；（2）可以在制备过程中对生成GaN 膜的厚度进行精确控制，有利于对该工艺中的生长机理进行深入研究。

缺点是：反应时间会比较长，生产效率低，因此不适合大规模生产。

3、氢化物气相外延法（HVPE）

HVPE通常以镓的氯化物GaCl₃ 为镓源，NH₃ 为氮源，在衬底上以1000 ℃左右的温度生长出GaN 晶体。

优点是：生成的GaN晶体质量比较好，且在较高的温度下生长速度快。

缺点是：高温反应对生产设备、生产成本和技术要求都比较高。

GaN制备方法对比表

三、GaN材料应用

由于对高速、高温和大功率半导体器件需求的不断增长，使得氮化镓材料器件逐渐被半导体市场应用。

1、新能源领域

在可再生能源领域，在将风电和太阳能电力接入电网以及减少输电损耗方面，GaN材料都发挥了极其重要的作用；绿色能源、电动汽车、绿色电子照明等新兴领域正在成为功率器件市场应用的新热点，需求强劲。

2、智能电网领域

GaN材料功率半导体在提高整个电力供应链，从发电、输配电到最后的用电的能效方面发挥着至关重要的作用。

3、信息通讯设备领域

增强型氮化镓电晶体表现出高耐辐射性能，从而适用于通讯和科学卫星的功率和通讯系统；点到点通信、卫星通信、各种雷达和新型工业/医疗应用都将从这些大功率氮化镓器件的应用中获益。

4、国防军工领域

氮化镓射频器件产品性能在宽带、效率、高频等三个方面全面超越GaAs 器件，主要用于航空航天、军事雷达、卫星等高端高性能应用场景，例如在航空航天领域用于高温下工作的传感器、电子控制系统以及功率电子器件等，战略位置显著。

作者：李波涛